메타물질로 광전소자 전력효율 개선에 성공, 태양전지 효율을 획기적으로 개선하는 등 다양한 활용이 기대되고 있다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 이화여자대학교 우정원 교수 연구진이 메타물질로 전하이동을 제어해 광전소자의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다고 13일 밝혔다.

메타물질은 자연계 물질이 구현하지 못하는 특성을 지니도록 파장보다 작은 크기로 설계된 인공의 구조이며,  전하(charge)는 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양으로 전기 현상을 일으킨다. 또 광전소자는 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 소자로, 태양전지, LED 등이 대표적이다.

기존에는 광전소자의 전력 효율을 높이기 위해 소자의 구조 자체를 조절하는 세밀한 광학 설계 기술을 이용하여 왔는데, 이와 같은 기술은 실제로 구현하기 쉽지 않고 소자의 구조에 민감하기 때문에 안정적인 효율 향상을 얻기 어려웠다.

이번 우정원 교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어하여 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 했다.

광전소자의 광활성층에서 발생하는 전하 이동 현상을 복잡한 공정 없이도 메타물질로 제어함으로써 엑시톤의 시상수를 약 3배 (0.2 ps → 0.5 ps) 증가시키는데 성공했다.

우정원 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용하여 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크며, 향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다”며 “이번 성과는 태양전지뿐만 아니라 IoT 센서, 디스플레이, 유연 소자, 유연 에너지 소자에 적용되는 유기 소자를 제어할 수 있어 원천기술로 큰 부가가치를 창출할 것”이라고 전망했다.

한편 우정원 교수(이화여대) 연구진은 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어연구단), 해외우수연구기관유치사업(이화CNRS국제공동연구소)과 선도연구센터사업(양자메타물질연구센터)을 수행했으며, 이번 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 6월 5일자에 게재됐다.